[发明专利]一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备技术，具体涉及一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法。

背景技术

自从2004年科学家成功剥离出石墨烯后，石墨烯立刻引起了大家广泛的关注。这是因为石墨烯具有良好的力学、热学和电学性质。在力学方面：石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。在热学方面：石墨烯的出现打破了理论和实验界认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在的观点，这归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。在电学方面：稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，石墨烯中电子是没有质量的，而且是以恒定的速率移动。石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为，其霍尔电导等于2e2/h，6e2/h，10e2/h，...，为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。石墨烯的这些特性使得它在电子学、氢储存、纳米器件及固态气敏传感器等领域有着重要的应用。

石墨烯要能广泛的应用，其前提是要制得严格意义上具有单层厚度的石墨烯材料。而目前常使用的方法有机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和氧化石墨还原法。机械剥离法可以获得质量很高的石墨烯样品，但是其操作步骤繁琐，效率低，产量小。外延生长法和化学气相沉积法都是在高温下分解化合物，除能耗大外，衬底对产物的影响也是需要考虑的一个问题。氧化石墨还原法所使用的氧化剂对石墨层有破坏作用，所得的石墨烯质量差且有较多的缺陷。以上各种方法还有一个缺陷，即不能制得厚度均一且具有单原子层厚度的石墨烯材料。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，该方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的石墨烯薄膜结构完整，厚度均一，为单原子层厚度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：

将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；

向所述原子层沉积设备反应腔中通入碳源气体，所述碳源气体作为第一反应前驱体在碳化硅衬底表面进行化学吸附；

所述碳源气体与通入的第二反应前驱体发生卤代反应，并产生相应的副产物，直到碳化硅衬底表面的碳源气体完全消耗；

所述卤代反应停止后，相应的副产物经过光照在碳化硅衬底表面形成单原子层石墨烯薄膜。

上述方案中，所述碳化硅衬底选用结晶取向为(0001)的晶面，且以碳原子为终端。

上述方案中，所述在将碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中的步骤之前还包括：对碳化硅衬底预先进行氢化处理，使衬底表面形成碳氢键。

上述方案中，所述碳源气体为重氮甲烷或乙烯酮。

上述方案中，所述重氮甲烷或乙烯酮在碳化硅衬底表面进行化学吸附的条件是光照或者低温加热，所述重氮甲烷或乙烯酮经过光照或低温加热的分解产物具有未成键电子。

上述方案中，所述第二反应前驱体为气态碘单质。

上述方案中，所述重氮甲烷或乙烯酮与所述气态碘单质发生卤代反应，使得重氮甲烷或乙烯酮中除碳以外的其他官能团被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键。

上述方案中，所述碳碘键通过光照发生断裂，碳原子自发成键在碳化硅衬底表面形成石墨烯。

上述方案中，所述卤代反应是在光照条件下进行的。

上述方案中，所述原子层沉积设备反应腔在通入第一反应前驱体或第二反应前驱体的前后均通入惰性气体；所述惰性气体为氩气或氮气。

与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果如下：

本发明利用原子层沉积技术制备石墨烯薄膜，该制备方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的石墨烯薄膜结构完整，厚度均一，并为单原子层厚度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的重氮甲烷或乙烯酮与碳化硅衬底进行化学吸附的过程示意图；

图2为本发明实施例提供的重氮甲烷或乙烯酮与气态碘单质进行卤代反应形成石墨烯薄膜的过程示意图；

图3为本发明实施例提供的具有单原子层厚度的石墨烯薄膜的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

实施例1：

一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤101，在50℃-1000℃等离子体条件下，通入氢气1分钟-60分钟，对结晶取向为(0001)晶面的、以碳原子为终端的碳化硅衬底进行氢化处理，使碳化硅衬底表面形成C-H键，如图1中a图所示；将进行氢化处理后的碳化硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；